[发明专利]一种模拟边界水流影响渗流的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种土力学渗流实验方法，特别涉及一种用于模拟边界水流对渗流影响作用 的实验装置，属于水利工程领域。

背景技术

早在1856年，法国工程师达西(Darcy)提出了线性渗流的达西定律。1889年，俄国的 茹可夫斯基首先推导了渗流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基提出了求解渗流场的电模拟 法。由于渗流的微分方程在复杂边界条件下很难得到其解析解，所以人们力图用数值算法解 决它。1910年理查森(L.F.Richardson)首先提出了有限差分法。在20世纪60年代之后， 由于计算机及计算技术的迅速发展，人们广泛应用有限单元法、边界元法和许多其它计算方 法计算解决渗流问题。利用这些实验和计算机模拟手段，无疑，渗流预测及应用均得到了充 分发展，在水利、建筑、交通、采矿、石油、农业和环境等许多行业均应用广泛。

然而，以上研究方法与模拟手段主要基于达西定律的线性渗流原理，其相关实验和计算， 均不能考虑其渗流介质存在边界水流的特殊工况。比如，对于江河岸坡，其坡外水位高于坡 体内地下水位时则发生向坡内的渗流，相反则发生水的外渗。该岸坡渗流与山坡渗流有着较 大的区别，即岸坡外的水位是变动的，而且水是运动着的水流。水流流速大小是否影响岸坡 渗流，至今尚未见相关研究的报道。与该问题相伴而生，渗流是否会影响其边界水流流速、 流态等特征呢？国外有不少学者进行了这方面的实验研究，结果表明渗流对边界水流影响显 著，并明显影响相应的泥沙冲淤变化，而且产生了考虑渗流影响的相应冲刷预测模型。因此， 对于作为边界条件的水流，其对渗流的影响可能在一定条件下也不容忽略，有必要通过专门 实验进行研究。在长江崩岸治理的设计中，往往需要考虑垂线平均流速达2.5～4.5m/s的水流 作用，所以在进行重要岸坡稳定分析时，不宜忽略江河水流的影响。为此，急需研制能够反 映边界水流对渗流影响作用的渗流实验装置，进一步探究其影响大小，完善渗流理论。

发明内容

本发明的目的是提供一种渗流实验方法和实验装置，能模拟作为边界条件的水流对渗流 的影响过程，解决岸坡失稳机理研究中急需的地下渗流模拟设备难题，能充分反映和揭示边 界水流对土内渗流的影响和作用规律，可定量研究边界水流条件对渗流的作用机理，且试验 实施容易、操作简单。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种模拟边界水流影响渗流的方法，是在传统的渗流试验理论基础上，通过对渗流介质 一侧增加切向水流边界条件，观测某一渗流强度(单位时间内透过渗流介质的水量)下，不 同切向水流边界条件所对应的渗流水头差，同时也可以改变渗流强度，重复试验，并依据流 体力学理论及观测数据，可整理边界水流对渗流的影响大小和作用机理。若在同一渗流强度 下，边界水流条件的变化并不影响渗流水头差，或者其影响杂乱无章，那么说明二者没有显 著的联系；相反，若渗流水头观测数据随着边界水流条件的改变而变化，并呈规律性变化， 则说明二者之间存在着必然的联系。通过变换切向水流边界条件、渗流强度和土体物理力学 参数，进行系统的实验研究，可揭示边界水流影响渗流的内在机理。

本发明所述的实验方法，需要同时满足以下要求：1)所有水体均为无气水，以确保渗流 的稳定性，这要求实验设备便于抽真空，以利于排出水中和土中的空气；2)为定量研究边界 水流条件对渗流的影响，一个试验必须代表工程中的一个点，如水下岸坡坡面上的一个点， 这要求试验中的渗流介质边界面上各点均有着相同的渗流边界条件；3)渗流供水强度可以调 节，以获得不同的渗流强度；4)切向边界水流循环使用、节约用水，水流脉动性小，水流循 环流动过程中不掺气，且流速可连续调节，以获取多种边界水流条件。

本发明所述的实验装置，依据以上实验方法和要求设计而成，包括两流作用室、渗流供 水装置、管道水流循环装置和观测装置。两流作用室模拟边界水流和渗流相互作用，渗流供 水装置为两流作用室提供恒定的供水流量，管道水流循环装置为两流作用室提供恒定的切向 边界水流条件，观测装置包括水温、环柱土样内外表面处总水头、管流流速等监测装置。